[发明专利]一种电注入激射的氮化物半导体微腔激光器结构及其制备方法

说明书

本发明提供了一种新型的、易实现电注入激射的氮化物半导体微腔激光器结构及其制备方法。本发明将采用AlInGaN、ITO、AZO、IGZO、多孔GaN、Ag、Al、ZnO、MgO、Si、SiO₂、SiN_x、TiO₂、ZrO₂、AlN、Al₂O₃、Ta₂O₅、HfO₂、HfSiO₄、AlON等材料中的任意一种或两种以上的组合作为微腔激光器的光学限制层，可以在保证强光学限制的前提下，大幅降低激光器的热阻，提升器件性能。本发明提出的新型氮化物半导体微腔激光器结构具有易实现电注入、热阻小和稳定性及可靠性好等优点，可大幅增强氮化物半导体微腔激光器的性能和寿命。

技术领域

本发明涉及一种新型的半导体微腔激光器结构及其制备方法，特别涉及一种新型的、易实现电注入激射的III-V族氮化物半导体微腔激光器结构及其制备方法，属于半导体光电技术领域。

背景技术

III-V族氮化物半导体被称为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、化学稳定性好、抗辐照性强等优点；其禁带宽度涵盖从深紫外、整个可见光、到近红外范围，可用于制作发光二极管和激光器等。回音壁模式(Whispering-gallery Mode)微腔激光器具有模式体积小、品质因子高、阈值低等优点。基于III-V族氮化物半导体材料的微腔激光器，可用于光纤通信、光学存储和化学生物探测等等，不仅如此，生长在Si衬底上的III-V族氮化物半导体微腔激光器还可以用于光电集成。基于此，III-V族氮化物半导体微腔激光器受到了学术界和产业界的广泛关注。

常规氮化物半导体微腔激光器通常生长在蓝宝石衬底、自支撑GaN衬底或Si衬底上，为了增强微腔激光器的光学限制，通常采用空气作为上、下光学限制层，即采用“蘑菇”状结构。对于生长在蓝宝石衬底或自支撑GaN衬底上的氮化物半导体微腔激光器，需在量子阱有源区下方生长InGaN/InGaN的超晶格牺牲层结构，通过光辅助的电化学腐蚀来刻蚀微腔激光器边沿下方的InGaN/InGaN超晶格，从而形成空气下光学限制层。

对于生长在Si衬底上的氮化物半导体微腔激光器，为了采用空气作为下光学限制层，需刻蚀到Si衬底，然后采用溶液湿法腐蚀暴露出来的Si，从而形成“蘑菇”状的结构。如专利CN 105337168A所示，利用光刻工艺和深硅刻蚀工艺制备氮化物微腔结构，在光泵浦条件下，可获得回音壁模激光输出。此外，还可以通过在背面套刻，然后采用深硅刻蚀工艺，将微腔底部的Si衬底全部刻蚀掉，从而形成氮化物悬空薄膜微腔结构，如专利CN 104009393A所示。

现有微腔激光器均只能实现光泵浦激射，无法实现电注入激射；不仅如此，现有微腔激光器还存在热阻大、制作工艺复杂、稳定性差、机械支撑差等缺点，很难实际应用。

首先，现有氮化物微腔激光器均无法实现电注入激射。现有的氮化物微腔激光器结构，不管是蓝宝石衬底、自支撑GaN衬底或Si衬底上，均采用“蘑菇”状结构，空气作为上、下光学限制层，以增强激光器的光场限制。然而为实现电注入激射，电流必须从微腔激光器上面注入，因此需要制作上电极。由于氮化物微腔激光器上面的p型层横向电阻远大于n型层的横向电阻，大部分注入的电流均聚集在器件的p型电极下方，因此需在微腔激光器电流注入区的正上方沉积接触电极，接触电极会代替空气成为微腔激光器的上光学限制层，产生很强的光吸收。不仅如此，接触电极还会影响激光器内部的光场分布，造成光场分布不对称，导致微腔激光器光学限制因子减小，光学损耗变大，微腔激光器无法激射。对于现有的Si衬底氮化物微腔激光器，由于采用“蘑菇”状结构，n电极必须做在Si衬底上，电流注入需通过Si衬底，然而Si衬底和GaN材料中间有非掺杂、电阻很高的AlN/AlGaN(AlN:6.2eV,GaN:3.4eV)缓冲层，因此器件的电阻非常大，更加无法实现电注入激射。